《水力化煤层增透理论及技术》系统地论述了水力化煤层增透理论、技术及系统装备，内容包括高压水射流冲击动力学特性，破岩增透理论，煤层水力压裂起裂机理、裂缝扩展规律，射流割缝复合水力压裂裂缝起裂及扩展理论、技术装备和工程应用。《水力化煤层增透理论及技术》共分7章，分别为绪论、高压水射流造缝增透理论、成套装备、增透技术、煤矿井下水力压裂增透技术、射流割缝复合水力压裂增透技术和煤矿井下射流割缝复合水力压裂现场应用。《水力化煤层增透理论及技术》囊括了著者所在的国家创新研究群体和教育部创新研究团队近10年的研究成果。
《水力化煤层增透理论及技术》适合从事煤层气抽采、煤矿瓦斯灾害治理的科研人员、工程技术人员、高等院校教师、研究生和本科高年级学生参考和阅读。
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煤层气，也称煤层瓦斯，是以甲烷为主要成分的混合气体，是公认的高效、优质清洁能源。我国煤层瓦斯资源极其丰富，储藏总量约为36.8万亿m3，居世界第三位。高效开发煤层气既可大量减少甲烷排放，又可改善能源结构，保障清洁能源安全供给。同时，高效开发煤层气实现采气采煤一体化，可以杜绝煤矿瓦斯事故，大幅度改善煤矿安全生产。
我国煤层气赋存条件复杂，70%的煤矿可采煤层均是具有煤与瓦斯突出危险的复杂煤层，煤层渗透率低于000lmD，煤层瓦斯主要以吸附态赋存煤体中，通常吸附瓦斯量占80%～90%，游离瓦斯量占10%-20%;瓦斯压力高达5.6～13.9MPa，瓦斯含量一般在15～25m3/t。随着开采深度的增加，瓦斯灾害日益严重。复杂煤层瓦斯抽采已成为矿业工程中的世界级技术难题。
解决瓦斯灾害最根本的措施为预抽瓦斯，目前预抽煤层瓦斯有两种方式：地面抽采和井下抽采，因地面抽采成本高，对于复杂煤层难度也较大。在我国大部分煤矿瓦斯治理还是采用井下瓦斯抽采。由于复杂煤层透气性低，井下抽采主要存在钻孔有效影响范围小、钻孔工程量大、抽采达标时间长等问题，这就必须采取增透方法，增加煤层透气性，以提高抽采效果。复杂煤层的增透方法可分为两大类，一类是煤层层内卸压增透方法，另一类是煤层层外卸压增透方法。层外卸压增透方法如开采保护层技术已经应用得相当成熟，并取得良好的效果。对于不具备保护层开采条件的复杂煤层，必须采用层内增透方法，其主要目的是增加煤层透气性。
治理煤矿瓦斯灾害主要思想是，增加煤体裂隙率，提高煤层透气性，降低煤体瓦斯压力和瓦斯含量，提高煤体瓦斯抽采率。
著者及其研究团队针对我国复杂煤层瓦斯灾害严重这一重大安全问题，提出了水力化煤层增透的学术思想，主要开展了高压水射流破岩机理、造缝增透理论、射流割缝复合水力压裂增透理论、抽采技术及装备等方面的研究，取得主要研究成果如下：①揭示了高压水射流动态冲击特性及破岩机理。研究高压水射流瞬态冲击动力产生的机理，分析高压水射流冲击动力特性与煤岩相互作用关系。②揭示不同类型的煤体起裂机理。根据煤体宏观和微观结构分类特征，采用弹性力学、断裂力学、土力学等理论分别建立不同结构煤体的水力压裂起裂模型及起裂准则，并分析天然裂缝、煤岩交界面和断层对水压裂缝扩展的影响。③揭示煤矿井下射流割缝复合水力压裂增透机理。根据射流割缝形成缝隙后煤体力学特性的变化规律，建立射流割缝后煤体受力分析几何模型；揭示射流割缝辅助水力压裂裂缝起裂及扩展机理，建立裂缝尖端起裂临界，积分模型；分析射流割缝辅助水力压裂裂缝延缓闭合影响因素，推导出射流割缝辅助水力压裂作用下煤层裂隙内瓦斯渗流方程。④开发出水力化煤层增透成套技术及装备。研发出适用于不同煤层地质条件的水力化瓦斯抽采技术及系统装备，包括自动式割缝器、高压旋转输水器、高压密封钻杆、专用压裂管、专用封孔装置、气渣分离器等关键设备。
目录
前言
第1章 绪论1
1.1 概述1
1.2 煤层气资源概况及开发现状3
1.2.1 国外煤层气的资源分布和开发现状3
1.2.2 我国煤层气资源情况及储层特点5
1.3 国内外煤层增透理论与技术研究现状7
1.3.1 钻孔卸压增透法7
1.3.2 高能液体扰动卸压增透法7
1.3.3 爆生气体扰动卸压增透技术10
1.4 水力化增透理论与技术10
1.4.1 水射流增透技术11
1.4.2 水力压裂技术12
1.5 煤矿井下水力化增透技术展望15
1.5.1 水力化增透理论15
1.5.2 水力化增透技术多元化发展16
1.5.3 水力化增透装备智能化发展17
1.6 参考文献18
第2章 高压水射流造缝增透理论20
2.1 水射流冲击动力学理论20
2.1.1 水射流基本理论21
2.1.2 水射流结构特征22
2.1.3 水射流冲击特征27
2.2 高压水射流瞬态动力学特性43
2.2.1 水射流冲击靶板的实验方案设计43
2.2.2 水射流冲击靶板的数值模拟研究53
2.2.3 水射流冲击靶板的过程分析63
2.2.4 水射流冲击靶板后的流体运动状态分析78
2.2.5 射流速度对冲击特性的影响分析86
2.2.6 水射流形状对冲击特性的影响分析98
2.2.7 靶板角度对冲击特性的影响分析100
2.3 高压水射流冲击破碎岩石机理研究101
2.3.1 水射流冲击破岩机理分析102
2.3.2 水射流破岩实验研究111
2.4 高压水射流导引钻头破硬岩机理研究140
2.4.1 高压水射流导引钻头破硬岩方法140
2.4.2 高压水射流导引钻头破硬岩机理143
2.4.3 高压水射流导引钻头破硬岩实验158
2.5 高压水射流增透抽采理论163
2.5.1 高压水射流冲击煤体动态损伤特征163
2.5.2 高压水射流造缝卸压效应164
2.5.3 空化声震效应强化瓦斯解吸渗流机理178
2.5.4 高压水射流造缝对煤层渗透率的影响188
2.6 参考文献194
第3章 高压水射流造缝增透成套装备198
3.1 高压水射流造缝增透成套装备组成198
3.2 磨料射流辅助破硬岩钻头198
3.2.1 磨料射流导引钻头研制198
3.2.2 磨料射流导引钻头穿硬岩层钻进工艺200
3.3 自动切换式切缝器202
3.3.1 煤层割缝器喷嘴结构设计203
3.3.2 割缝器喷嘴布置方式优化设计203
3.4 高压密封输水器206
3.5 高压密封钻杆208
3.5.1 高压水密封钻杆208
3.5.2 高压密封双动力螺旋排渣钻杆209
3.6 气渣分离装置210
3.7 参考文献212
第4章 高压水射流网格化造缝增透技术214
4.1 高压水射流造缝增透关键参数214
4.1.1 破煤岩压力214
4.1.2 破煤岩流量217
4.1.3 喷嘴直径220
4.1.4 喷嘴转速和切割时间222
4.1.5 抽采半径225
4.1.6 割缝工艺229
4.2 工程应用231
4.2.1 快速石门揭煤技术231
4.2.2 穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯技术239
4.2.3 煤巷掘进钻割一体化技术242
4.2.4 顺层钻孔预抽煤层瓦斯技术246
4.3 参考文献248
第5章 煤矿井下水力压裂增透技术249
5.1 不同类型煤体的起裂机理249
5.1.1 适用于水力压裂的煤体结构划分249
5.1.2 原生结构煤体的起裂机理252
5.1.3 碎裂结构煤体的起裂机理256
5.1.4 碎粒及糜棱结构煤体的起裂机理260
5.2 煤层水压裂缝扩展规律266
5.2.1 天然裂缝对煤层水压裂缝扩展的影响267
5.2.2 煤岩交界面对煤层水压裂缝扩展的影响274
5.2.3 断层对煤层水压裂缝扩展的影响283
5.3 参考文献293
第6章 煤矿井下射流割缝复合水力压裂增透技术294
6.1 射流割缝复合水力压裂裂缝起裂机理294
6.1.1 射流割缝复合水力压裂煤体起裂准则294
6.1.2 射流割缝降低煤层起裂压力研究298
6.1.3 射流割缝与未割缝压裂起裂压力数值分析302
6.1.4 射流割缝复合水力压裂裂缝起裂位置307
6.2 射流割缝复合水力压裂裂缝扩展规律310
6.2.1 射流割缝复合水力压裂裂缝扩展规律分析310
6.2.2 射流割缝复合水力压裂裂缝扩展数值分析315
6.3 射流割缝复合水力压裂增透机理317
6.3.1 水压裂缝闭合机理317
6.3.2 水压裂缝内瓦斯渗流规律324
6.3.3 射流割缝复合水力压裂瓦斯富集规律327
6.4 煤层清洁压裂液增透抽采机理研究329
6.4.1 压裂液研究现状329
6.4.2 清洁压裂液性能330
6.4.3 清洁压裂液促进煤层瓦斯渗流331
6.4.4 清洁压裂液增加煤层瓦斯抽采机理336
6.5 煤矿井下射流割缝复合水力压裂工艺与装备340
6.5.1 射流割缝复合水力压裂钻孔布孔原则340
6.5.2 钻孔施工安全防护装置研制342
6.5.3 射流割缝复合水力压裂钻孔封孔材料及工艺348
6.5.4 井下射流割缝复合水力压裂设备优选及改造355
6.5.5 井下射流割缝复合水力压裂施工参数优化设计359
6.5.6 井下射流割缝复合水力压裂施工工艺要点360
6.6 煤矿井下射流割缝复合水力压裂评价方法361
6.6.1 瞬变电磁法361
6.6.2 瓦斯含量法365
6.7 参考文献368
第7章 煤矿井下射流割缝复合水力压裂现场应用370
7.1 射流割缝复合水力压裂与常规压裂对比试验370
7.1.1 试验地点概况370
7.1.2 压裂孔布置方案371
7.1.3 试验结果分析373
7.2 石门揭煤射流割缝复合水力压裂增透抽采技术376
7.2.1 石门揭煤射流割缝复合水力压裂增透抽采技术概述376
7.2.2 石门揭煤射流割缝复合水力压裂现场试验376
7.3 掘进条带射流割缝复合水力压裂增透抽采技术387
7.3.1 掘进条带射流割缝复合水力压裂增透抽采技术概述387
7.3.2 掘进条带射流割缝复合水力压裂现场试验388
7.4 本煤层射流割缝复合水力压裂增透抽采技术398
7.4.1 本煤层射流割缝复合水力压裂增透抽采技术概述398
7.4.2 本煤层射流割缝复合水力压裂现场试验399
7.5 参考文献405
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